翁浩銘 李自力 邊江 張成斌

1．中國石油大學(華東)，山東青島266580;

2．山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東青島266580

LNG接收站泄漏事故及火災爆炸后果分析

翁浩銘1，2李自力1，2邊江1，2張成斌1，2

1．中國石油大學(華東)，山東青島266580;

2．山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東青島266580

LNG屬于易燃易爆的危險性物品，一旦發(fā)生泄漏，可能引發(fā)噴射火、池火、蒸氣云爆炸、閃火等危害。利用挪威船級社研制的PHAST軟件，選取具有代表性的泄漏工況對LNG泄漏及可能引發(fā)的事故進行分析計算。利用GIS顯示擴散氣體、噴射火及池火熱輻射、蒸氣云爆炸超壓的影響區(qū)域，并提出風險防范對策措施，為消防力量的布置以及應急預案的制訂等提供依據(jù)。

LNG泄漏;噴射火;池火;蒸氣云爆炸;LNG接收站安全

0 前言

進入21世紀后，我國對能源的需求不斷增加，出于市場需求，我國LNG產(chǎn)業(yè)步入了發(fā)展的快車道［1］。自2006年以來，沿海地區(qū)數(shù)座LNG接收站陸續(xù)建成投運。截止2015年底，已有14座LNG接收站投產(chǎn)運營，在建及處于規(guī)劃階段的接收站達到15座。然而，LNG的管理卻相對滯后，LNG的安全問題也愈發(fā)受到各方面的重視。

LNG的儲存溫度很低，在－162℃左右，此外還具有易燃、易爆、易擴散等特點，被列為甲類火災危險性物品。LNG的泄漏一方面可能造成低溫凍傷、窒息等危害，泄漏到水面上還可能造成RPT(快速相變)爆炸;另一方面，泄漏出來的LNG蒸汽云一旦遇到火源將引發(fā)噴射火、池火、蒸氣云爆炸、閃火等危害，也可能產(chǎn)生BLEVE(沸騰液體擴展蒸汽爆炸)等危害而形成多米諾效應［2］。

1 LNG泄漏擴散

LNG接收站儲罐區(qū)選用全容式混凝土儲罐，閆曉等人［3］對該類型儲罐區(qū)進行了風險識別以及相應的評估，認為儲罐發(fā)生全面破裂以及罐頂全面失效的概率保守估計為1×10－8y－1，而儲罐的進出料管線發(fā)生完全斷裂以及小孔泄漏的概率分別為4.21×10－5y－1和2.1×10－4y－1，進出料管線發(fā)生小孔泄漏的概率遠超其他類型的事故。因此本文將對發(fā)生概率最大的LNG小孔泄漏進行分析，利用DNV PHAST軟件，以某LNG接收站為例對各類事故后果進行模擬計算。

1.1 計算模型

PHAST采用UDM((Unified Dimensional Model)模型來計算泄漏以及擴散。UDM是一種復合模型，包括兩個子模型:準瞬時模型和有限時間修正模型，模型以距離和時間作為關(guān)鍵變量，通過一系列代數(shù)方程來描述擴散云團，對于瞬時和連續(xù)釋放通過不同的方程來描述并考慮了整個擴散狀態(tài)［4］。Pitblado R等人［5］將PHAST的計算結(jié)果與Burro等實驗進行對比，兩者較為吻合。

1.2 計算實例

某LNG接收站所在地區(qū)平均風速為5 m/s，年平均氣溫為15℃，年平均濕度為70%，大氣穩(wěn)定度為中等穩(wěn)定。計算物料選取單組份甲烷代替LNG，儲存溫度為－164℃，泄漏口徑根據(jù)API 581推薦取101.6 mm (4 in)［6］，泄漏口高度為1m，水平噴射，連續(xù)性泄漏［7］，持續(xù)時間為10 min。

1.2.1 液相擴散

經(jīng)過計算得到該工況下質(zhì)量流率為41.1 kg/s，噴射速度為19.8 m/s。液相物料經(jīng)過泄漏口噴射到地面上，在地面上形成液相流動。在不設圍堰的情況下，形成的最大液池半徑為17.5 m，液池具體形成過程見圖1;其蒸發(fā)速度和液池與大氣及地面的接觸面積大小有關(guān)，因此與液池半徑發(fā)展趨勢基本一致，見圖2;液池溫度由于蒸發(fā)吸熱帶走部分熱量呈下降趨勢，見圖3。

圖1 液池半徑隨時間的變化關(guān)系

圖2 液池蒸發(fā)率隨時間的變化關(guān)系

圖3 液池溫度隨時間的變化關(guān)系

1.2.2 氣相擴散

在液相泄漏擴散的同時，出口處一部分的閃蒸氣以及泄露出來液相的蒸發(fā)氣，形成兩相擴散。LNG蒸氣云的擴散過程大致分為四個階段［8－9］:泄漏初始階段、重力沉降階段、混合擴展階段、被動擴散階段。將計算結(jié)果以圖表的形式顯示，LNG蒸氣云的LFL(燃燒下限)、UFL (燃燒上限)以及1/2 LFL濃度對應的范圍見圖4～5，圖4以及文中其他俯視圖對應的高度均為1 m。從圖4～5可以看出，擴散出來的低溫氣云1/2 LFL濃度的最遠距離為192 m，高度為8 m，寬度為50 m，呈現(xiàn)出扁平狀。

此外，DNV PHAST提供GIS(Geography Information System)地圖輸入，可以在地圖上直觀地顯示受影響的范圍，為應急指導提供很大的便利。該LNG儲罐區(qū)常年風向為北風，該工況下其影響范圍見圖6。

圖4 泄漏口水平面不同濃度云團俯視圖

圖5 泄漏口中心垂直面不同濃度云團側(cè)視圖

圖6 GIS上不同濃度對應的擴散范圍

2 泄漏后果

根據(jù)歷來發(fā)生的LNG泄漏導致的相關(guān)事故［10］，以及相關(guān)文獻［11］的描述記載，總結(jié)了LNG小孔泄漏可能導致的幾種事故及其產(chǎn)生的條件，見圖7。

為定量評估LNG泄漏引發(fā)事故的傷害范圍，根據(jù)沖擊波超壓準則以及熱輻射傷害/破壞準則［12］，確定了爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓與人體及建筑遭到損害的相應關(guān)系以及火災不同熱輻射強度的影響后果，見表1。文中計算影響范圍所需的熱輻射強度及爆炸超壓大小均依據(jù)表2。

2.1 噴射火

目前研究噴射火的主要方法有點源模型、多點源模型、固體源模型以及CFD模型。PHAST軟件中的噴射火計算模塊中包含的Cone平頭圓錐體形模型以及API RP 521香蕉形模型，均為固體源模型。相比于點源模型，固體源模型雖然計算復雜，但精度更高［13］。通過對這兩種固體源模型的對比發(fā)現(xiàn)，API模型在近場的熱輻射強度要比Cone模型大得多，而對遠場的熱輻射強度估算不足。為充分估計遠場的熱輻射強度，本次計算選用了Cone模型，計算結(jié)果見圖8～9，GIS上的熱輻射范圍見圖10。當發(fā)生泄漏，氣云被點燃發(fā)生閃火，就可能回燃到泄漏口形成噴射火，而在圖10所示范圍內(nèi)的人員和設備就可能被熱輻射傷害。

圖7 LNG泄漏可能導致的幾種事故后果

表1 沖擊波超壓傷害對照表

表2 熱輻射傷害/破壞準則

圖8 噴射火熱輻射強度與距離關(guān)系曲線

圖9 噴射火不同熱輻射強度對應影響范圍

圖10 GIS上噴射火不同熱輻射強度對應影響范圍

2.2 池火

目前通常采用場模型和半經(jīng)驗模型來對烴類池火災進行研究［14］。場模型通過解決Navier-Stokes方程控制流動，同時結(jié)合描述火災中化學及物理過程的分模型，進行火災特性的預測。半經(jīng)驗模型則是由大量的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)推導出半經(jīng)驗的關(guān)系式，如果應用沒有超過有效范圍，將得到合理的預測［14］。半經(jīng)驗模型因其簡單易用的特點，在工程風險評估領(lǐng)域應用廣泛。

PHAST將池火火焰假設為一個受風剪切的圓柱體，采用Mudan模型計算池火火焰高度，采用Johnson［15］提出的關(guān)系式計算火焰傾角。PHAST根據(jù)引燃時間不同，將池火災分為早期池火災和晚期池火災。早期池火災發(fā)生在液池質(zhì)量達到平衡階段，晚期池火則發(fā)生在液池半徑達到最大的時候。早期和晚期池火不同熱輻射強度對應影響范圍見圖11、12。

從圖11～12可以看出，晚期池火由于其液池半徑比早期的大得多，發(fā)生火災時其熱輻射范圍也相應更大。由于LNG液相的蔓延一方面是其超低溫特性會對沿途設備造成損害，另一方面一旦發(fā)生池火其熱輻射的影響范圍大大增加，有必要采取措施對LNG液相蔓延進行控制。GIS上晚期池火的熱輻射影響范圍見圖13。

圖11 早期池火不同熱輻射強度對應影響范圍

圖12 晚期池火不同熱輻射強度對應影響范圍

圖13 GIS上晚期池火不同熱輻射強度對應影響范圍

2.3 蒸氣云爆炸

開敞空間氣體爆燃已有的理論研究方法包括TNT當量法、TNO多能模型、Kuhl模型、Baker-Strehlow模型以及CFD數(shù)值計算方法［16］。TNO(The Netherlands Organization)多能法是目前模擬預測蒸氣云爆炸的常用方法［17］，是荷蘭TNO實驗室于1985年在大量實驗和數(shù)值研究基礎上提出并逐步完善起來的。由于該模型經(jīng)大量的實驗結(jié)果驗證和修正，比較接近事實［18］，因此本次計算采用TNO多能法來對爆炸影響范圍進行預測。該計算中爆炸的能量主要取決于爆炸極限(5%～15%)濃度范圍內(nèi)LNG的質(zhì)量，此外爆炸威力的大小還與附近障礙物、氣云尺寸、初始壓力溫度［19］等有關(guān)。PHAST根據(jù)泄漏情況計算出晚期爆炸的最壞情況(無障礙)，見圖14～15。爆炸中心為點火點，本文的點火點位于氣云前端。

圖14 晚期爆炸最壞情況不同超壓對應影響范圍

圖15 GIS上晚期爆炸最壞情況不同超壓對應影響范圍

2.4 閃火

閃火是一種非爆炸性的燃燒過程。其發(fā)生的條件和蒸氣云爆炸的條件類似［20］。閃火的主要危害來自熱輻射和直接接觸火焰，由于持續(xù)時間短，燃燒速度相對較慢(10 m/s)［21］，其危害程度要比其他泄漏事故小得多。

3 結(jié)論

通過對文中LNG接收站泄漏事故及火災爆炸計算，可以看出風向基本能夠決定危險區(qū)域的方位。特別是對于那些常年風向較為固定的LNG接收站而言，在常年風向下風向處保留一定的安全距離，盡量減少設備安置、人員作業(yè)，在一定程度上能夠規(guī)避風險，減少損失。

目前關(guān)于LNG儲罐的圍堰的尺寸如何確定等問題尚無定論。當LNG發(fā)生泄漏，儲罐圍堰能夠阻礙LNG氣體的擴散，減小受影響的區(qū)域，然而正是由于圍堰的阻攔導致LNG在罐區(qū)累積，增大了發(fā)生火災爆炸的可能性。因此，為解決LNG儲罐是否設置圍堰等問題，應將泄漏及火災爆炸作為一個連續(xù)的過程進行研究，結(jié)合發(fā)生火災爆炸條件形成概率，綜合評價圍堰的設置。

除了圍堰，高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)、強制水幕系統(tǒng)也對抑制LNG的擴散有明顯的抑制作用，但是這些措施的具體參數(shù)，如高倍泡沫發(fā)泡倍數(shù)、供給強度，強制水幕系統(tǒng)水壓等，仍需進行深入的研究。此外，從事安全工作的人員應從影響LNG擴散的各個因素入手，拓展思路，努力提出其他有效的LNG泄漏抑制技術(shù)。

［1］胡彬，劉希，鄧琳燦．中國LNG發(fā)展現(xiàn)狀［J］．化工管理，2015，386(27):1．Hu Bin，Liu Xi，Deng Lincan．The Current Situation of the Development of LNG in China［J］．Chemical Enterprise Management，2015，386(27):1．

［2］何靜，張禮敬，陶剛，等．大型LNG儲罐區(qū)個人風險及泄漏后果定量分析［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2015，41(10): 46－49．He Jing，Zhang Lijing，Tao Gang，et al．Quantitative Analysis on Individual Risk and Leakage Consequences of LNG Storage Tank［J］．Industrial Safety and Environmental Protection，2015，41(10):46－49．

［3］閆曉，趙東風，孟亦飛．大型LNG儲罐區(qū)卸料管線泄漏事故定量風險分析［J］．中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2013，9 (4):72－77．Yan Xiao，Zhao Dongfeng，Meng Yifei．Quantitative Risk A-nalysis on Leakage Accident of Unloading Pipeline in Large LNG Storage Tank Farm［J］．Journal of Safety Science and Technology，2013，9(4):72－77．

［4］朱伯齡，於孝春，李育娟．氣體泄漏擴散過程及影響因素研究［J］．石油與天然氣化工，2009，38(4):354－358．ZhuBoling，YuXiaochun，LiYujuan．Researchon Influencing Factors in the Process of Gas Leakage and Dispersion［J］．Chemical Engineering of Oil＆Gas，2009，38 (4):354－358．

［5］Pitblado R，Baik J，Raghunathan V．LNG Decision Making Approaches Compared［J］．Journal of Hazardous Materials，2006，130(1－2):148－154．

［6］周玉希，蔡治勇．基于PHAST軟件的LNG儲配站儲罐泄漏擴散分析［J］．重慶科技學院學報:自然科學版，2013，15 (增刊1):12－16．Zhou Yuxi，Cai Zhiyong．The Analysis of LNG Storage and DistributionStationTankLeakageandDiffusionBased PHAST［J］．Journal of Chongqing University of Science and Technology:Natural Science Edition，2013，15(Suppl 1): 12－16．

［7］苑偉民，袁宗明，畢建偉，等．LNG泄漏擴散模擬研究［J］．天然氣與石油，2011，29(4):1－5．Yuan Weimin，Yuan Zongming，Bi Jianwei，et al．Study on LNG Leakage and Diffusion Simulation［J］．Natural Gas and Oil，2011，29(4):1－5．

［8］莊學強．大型液化天然氣儲罐泄漏擴散數(shù)值模擬［D］．武漢:武漢理工大學，2012．Zhuang Xueqiang．Numerical Simulation for LNG Release＆Dispersion from Large Scale Tank［D］．Wuhan:Wuhan University of Technology，2012．

［9］唐建峰，蔡娜，郭清，等．液化天然氣水平連續(xù)泄漏重氣的擴散過程［J］．化工進展，2012，31(9):1908－1913．Tang Jianfeng，Cai Na，Guo Qing，et al．Research on the LNG Dense Gas Diffusion:A Continuous Horizontal Jet Release［J］．Chemical Industry and Engineering Progress，2012，31(9):1908－1913．

［10］孫曉平，朱淵，陳國明，等．國內(nèi)外LNG罐區(qū)燃爆事故分析及防控措施建議［J］．天然氣工業(yè)，2013，33(5):126－131．Sun Xiaoping，Zhu Yuan，Chen Guoming，et al．An Analysis of Foreign and Domestic Explosion Accidents in LNG Tank Fields and Proposals for Preventing Measures［J］．Natural Gas Industry，2013，33(5):126－131．

［11］張文冬，張永信．基于PHAST軟件模擬大型LNG儲罐泄漏事故［J］．石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2014，30(5):27－31．Zhang Wendong，Zhang Yongxin．Simulation of Leakage Accident of Large LNG Storage Tank Based on PHAST Software［J］．Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology，2014，30(5):27－31．

［12］秦慧艷，劉家洪，余翔，等．液化天然氣工廠廠址選擇和總圖設計要點［J］．天然氣與石油，2013，31(6):83－86．Qin Huiyan，Liu Jiahong，Yu Xiang，et al．Site Selection and Plot Plan Design Essentials of Liquefied Natural Gas (LNG)Plant［J］．Natural Gas and Oil，2013，31(6):83－86．

［13］沙錫東，姜虹．LPG噴射火災危害的研究和分析［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(11):46－48．Sha Xidong，Jiang Hong．Researches and Analyses of LPG Jet Fire Hazards［J］．Industrial Safety and Environmental Protection，2010，36(11):46－48．

［14］李慧，蔣軍成，王若菌．池火災熱輻射的數(shù)值研究［J］．中國安全科學學報，2005，15(10):11－14．Li Hui，Jiang Juncheng，Wang Ruojun．Modeling and Numerical Study of Pool Fire Heat Radiation［J］．China Safety Science Journal，2005，15(10):11－14．

［15］Johnson，A D．Model for Predicting Thermal Radiation Hazards from Large-Scale LNG Pool Fires［J］．ICHEME Symposium Series，1992，(130):507－524．

［16］李生娟，畢明樹，章正軍，等．氣體爆炸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．化工裝備技術(shù)，2002，23(6):15－19．Li Shengjuan，BiMingshu，ZhangZhengjun，etal．Research Status and Development Trend of Gas Explosion［J］．Chemical Equipment Technology，2002，23(6):15－19．

［17］黃斌，劉揚，傅程，等．LPG儲罐的蒸氣云爆炸后果模擬［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2008，34(19):29－31．Huang Bin，Liu Yang，F(xiàn)u Cheng，et al．Consequence Simulation of Vapor Cloud Explosion in LPG Storage Tank［J］．Inner Mongolva Petrochemical Industry，2008，34(19):29－31．

［18］張瑞華，陳國華，張暉，等．TNO多能法在蒸氣云爆炸模擬評價中的工程應用［J］．華南理工大學學報:自然科學版，2006，34(5):109－114． ZhangRuihua，ChenGuohua，ZhangHui，etal．Engineering Applications of TNO Multi-Energy Method in VCE Simulation Assessment［J］．Journal of South China U-niversity of Technology:Natural Science Edition，2006，34 (5):109－114．

［19］畢明樹．開敞空間可燃氣云爆炸的壓力場研究［D］．大連:大連理工大學，2001．BiMingshu．AResearchonthePressureFieldsof Unconfined Flammable Gas Cloud Explosions［D］．Dalian: Dalian University of Technology，2001．

［20］Hanna S R，Drivas D G．Guideline for Use of Vapor Cloud Dispersion Model［M］．2ndEdition．New York:Wiley-A-merican Institute of Chemical Engineers，1996:25－47．

［21］劉茂，余素林，李學良，等．閃火災害的后果分析［J］．安全與環(huán)境學報，2001，1(4):28－31．Liu Mao，Yu Sulin，Li Xueliang，et al．Analysis of Consequences of Flash Fire［J］．Journal of Safety and Environment，2001，1(4):28－31．

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.009

2016－06－12

翁浩銘(1991－)，男，浙江普陀人，碩士研究生，主要從事油氣儲運系統(tǒng)安全研究。